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        一類加權(quán)Kirchhoff方程非線性Liouville定理

        2021-06-30 00:08:46曹悅璠方鐘波
        應(yīng)用數(shù)學(xué) 2021年3期
        關(guān)鍵詞:易知常數(shù)結(jié)論

        曹悅璠,方鐘波

        (中國(guó)海洋大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院,山東青島266100)

        1.引言

        本文中,我們考慮一類具有加權(quán)函數(shù)的Kirchhoff方程

        其中N≥1,a,b∈R,加權(quán)函數(shù)ω1和ω2均為滿足適當(dāng)條件的正函數(shù)且可能為Hardy勢(shì)函數(shù),非線性項(xiàng)f為非負(fù)函數(shù)且可取為Gelfand(或Liouville)項(xiàng)eu.一般地,具有Hardy勢(shì)函數(shù)的橢圓方程(1.1)的解可能具有奇性,故很自然需要在一個(gè)適當(dāng)?shù)募訖?quán)Sobolev空間中研究(1.1)的弱解.類似于文[1],對(duì)我們定義

        眾所周知,方程(1.1)可理解為粘彈性振動(dòng)理論中Kirchhoff型波動(dòng)方程及達(dá)朗貝爾波動(dòng)方程的穩(wěn)態(tài)問(wèn)題.從數(shù)學(xué)角度來(lái)說(shuō),方程(1.1)不是逐點(diǎn)恒等式,因此方程(1.1)是非局部問(wèn)題且與局部問(wèn)題相比有著較大的難度.迄今為止,許多學(xué)者致力于橢圓型方程穩(wěn)定解的存在性與非存在性及正則性的研究并取得了許多進(jìn)展.我們注意到,在這些進(jìn)展中人們對(duì)有限Morse指數(shù)解或者在緊集外穩(wěn)定解感興趣.大部分學(xué)者對(duì)這些解的Liouville型定理感興趣的原因在于有界區(qū)域中穩(wěn)定解的非存在性與對(duì)應(yīng)方程穩(wěn)定解的先驗(yàn)估計(jì)有十分緊密的聯(lián)系.其中,關(guān)于局部方程-Δu=f(u)的研究方面見(jiàn)專著[2]及相關(guān)文獻(xiàn);關(guān)于具有加權(quán)函數(shù)的局部方程研究方面,我們參考了文[3-7].比如,Cowan和Fazly[7]研究了加權(quán)半線性橢圓方程Liouville型定理

        其中非線性項(xiàng)f(u)=eu,up(p>1),-u-p(p>0).他們得到了穩(wěn)定上解和下解的存在性與非存在性結(jié)論且其依賴于維數(shù)、指數(shù)以及權(quán)函數(shù)在無(wú)窮遠(yuǎn)處的行為.在有些結(jié)論中,給ω1適當(dāng)?shù)膯握{(diào)性假設(shè),也能得到相同的結(jié)果.此外,具有加權(quán)指數(shù)源項(xiàng)的p-Laplacian方程柯西問(wèn)題穩(wěn)定解的Liouville定理的研究方面,我們重點(diǎn)參考了文[1].

        本文中,我們的目的在于建立具有加權(quán)函數(shù)的Kirchhoff方程新的Liouville型定理.實(shí)際上,Lions在文[8]中首次在泛函分析框架下研究Kirchhoff模型,之后,Kirchhoff型方程受到了廣泛的關(guān)注且已有很好的成果,讀者可以參看關(guān)于Kirchhoff問(wèn)題可解性的文[9-13](具有乘冪型源項(xiàng))及文[14-16](具有指數(shù)型源項(xiàng)).最近,Le等[16]考慮了Hardy-Henon型Kirchhoff方程

        其中常數(shù)a,b≥0,a+b>0.他們?cè)谶m當(dāng)?shù)臈l件下證明了方程不存在非平凡穩(wěn)定解的結(jié)論.Huynh等[17]考慮如下Henon型的Kirchhoff方程:

        其中a∈R,b∈R{0}.他們利用試驗(yàn)函數(shù)法得到了在適當(dāng)?shù)臈l件下問(wèn)題弱解的非存在性及具有指數(shù)型源項(xiàng)問(wèn)題穩(wěn)定解的非存在性.

        綜上所述,具有加權(quán)函數(shù)的Kirchhoff方程(1.1)弱解與穩(wěn)定解的非存在性(Liouville型定理)研究還未十分完整.其主要難點(diǎn)在于找到空間的維數(shù)、加權(quán)函數(shù)在無(wú)窮遠(yuǎn)處的行為或單調(diào)性、非線性項(xiàng)f(u)及Kirchhoff算子對(duì)問(wèn)題解的非存在性的影響.由此啟發(fā),我們利用構(gòu)造試驗(yàn)函數(shù)技巧,建立方程(1.1)新的Liouville定理.

        本文的剩余部分結(jié)構(gòu)如下:在第2節(jié)中,我們引入一些記號(hào),方程(1.1)弱解和穩(wěn)定解的定義及引理.第3,4節(jié)中,我們陳述主要結(jié)論,并利用構(gòu)造試驗(yàn)函數(shù)的技巧,證明方程(1.1)弱解的非存在性及具有指數(shù)型源項(xiàng)的方程(1.1)穩(wěn)定解的非存在性.

        2.準(zhǔn)備知識(shí)及主要結(jié)論

        本節(jié)中,我們給出一些記號(hào),問(wèn)題(1.1)弱解與穩(wěn)定解的定義、引理并陳述主要結(jié)論.

        為了描述簡(jiǎn)便,我們用C表示一般的常數(shù)且每行的常數(shù)C可能表示不同的常數(shù);同時(shí),當(dāng)某個(gè)常數(shù)依賴于ε時(shí)用Cε表示.BR表示以0∈RN為中心半徑為R的球.空間X的定義如下:若若.

        由Hardy勢(shì)導(dǎo)致橢圓方程(1.1)解可能具有奇性,故一般考慮弱解.下面,我們給出問(wèn)題(1.1)弱解及穩(wěn)定解的定義.

        定義2.1若函數(shù)u∈X滿足且對(duì)有

        則稱函數(shù)u是方程(1.1)的弱解.

        定義2.2若(1.1)的弱解u滿足:對(duì)有

        則稱u是方程(1.1)的穩(wěn)定解.

        注2.1由前述的定義知,函數(shù)u是方程(1.1)的弱解意味著u是能量泛函E(u)的臨界點(diǎn),而穩(wěn)定解則表明能量泛函E(u)在u處的第二變分是非負(fù)的,即,對(duì)有E′′(u)[φ,φ]≥0.這里,問(wèn)題(1.1)對(duì)應(yīng)的能量泛函為

        則我們有

        于是

        因此I′(0)=0等價(jià)于

        即E(u)的臨界點(diǎn)u是問(wèn)題(1.1)的弱解.

        其次,我們求I′′(0).

        故有

        因此,我們易知I′′(0)≥0等價(jià)于

        即E(u)的極小值點(diǎn)u是問(wèn)題(1.1)的穩(wěn)定解.

        緊接著,我們導(dǎo)出主要定理的證明所需的引理.

        引理2.1若u是方程(1.1)的穩(wěn)定解,則對(duì)有

        證利用加權(quán)的Hlder不等式,我們有

        由穩(wěn)定解定義(2.2)及(2.4),我們得到

        引理2.1證畢.

        注2.2由稠密性理論知,對(duì)前述的(2.1),(2.2)及(2.3)式同樣成立.

        注2.3如果ab≥0且a+b>0,勢(shì)函數(shù)ω1(x)保證可積,非線性函數(shù)f是嚴(yán)格單調(diào)遞增的且u是方程(1.1)的穩(wěn)定解,則事實(shí)上,我們?nèi)≡囼?yàn)函數(shù)滿足:0≤φ≤1,且

        其中常數(shù)C不依賴于R.

        將φ代入到(2.3)中,并利用的φ性質(zhì),我們導(dǎo)出

        在上式中,兩邊取極限R→∞,即可得

        RN ω2(x)f′(u)dx=0.

        現(xiàn)在,我們?cè)敿?xì)陳述本文的主要結(jié)論.

        定理2.1假設(shè)a∈R,b0,非線性函數(shù)f為一個(gè)非負(fù)函數(shù).若對(duì)于a.e.x∈RNBR0,有0≤ω1(x)≤A|x|p且ω2(x)≥B|x|q,其中A,B及R0為正常數(shù),則方程(1.1)滿足

        的弱解u∈X不存在.

        推論2.1在定理2.1的條件下,則滿足下列條件之一的方程(1.1)不存在弱解:

        1)p<1,N≤1-p;

        2)infRf>0,q∈(-∞,-N]

        推論2.2定理2.1的條件成立且若f非減(或非增),則方程(1.1)不存在有下界(或上界)的弱解.

        對(duì)非線性項(xiàng)f(u)為指數(shù)函數(shù)情形,我們得到了如下穩(wěn)定解的非存在性結(jié)論.為了描述方便,我們簡(jiǎn)記如下表達(dá)式:

        定理2.2假設(shè)ab≥0且a+b>0,f(u)=eu.如果存在當(dāng)R→∞時(shí)滿足J→0且K→0,則方程(1.1)不存在穩(wěn)定解.

        推論2.3假設(shè)ab≥0且a+b>0,對(duì)于a.e.x∈RNBR0有0≤ω1(x)≤A|x|p,ω2(x)≥B|x|q,其中A,B及R0為正常數(shù),若則方程(1.1)不存在穩(wěn)定解.

        注2.4由定理2.2的證明過(guò)程易知,對(duì)ω1給定適當(dāng)?shù)膯握{(diào)性假設(shè)也可得到方程(1.1)穩(wěn)定解不存在性結(jié)論.

        定理2.3假設(shè)ab≥0且a+b>0,f(u)=eu.且對(duì)充分大的|x|,ω1(x)滿足?ω1(x)·x≤0,如果存在當(dāng)R→∞時(shí)滿足J→0,則方程(1.1)不存在穩(wěn)定解.

        推論2.4假設(shè)ab≥0且a+b>0,f(u)=eu,ω2∈L∞,若對(duì)充分大的|x|有

        推論2.5若在推論2.4中勢(shì)函數(shù)ω1的條件換成:對(duì)充分大的|x|有

        3.弱解的非存在性

        對(duì)?R>R0,我們介紹滿足0≤φ≤1,且

        其中常數(shù)C不依賴于R.

        定理2.1的證明假設(shè)方程(1.1)存在滿足(2.5)式的弱解u∈X.選取試驗(yàn)函數(shù)φ,我們有

        結(jié)合(3.1)及(3.2),我們導(dǎo)出

        再由條件(2.5)知,存在R′∈N,R′>R0使得當(dāng)R>R′時(shí)滿足

        結(jié)合(3.3)及(3.4)易知,當(dāng)R>R′時(shí),我們有

        其中C不依賴于R.

        取R=R′,R′+1,R′+2,···且對(duì)(3.5)式左右兩邊關(guān)于R求和,我們得到

        推論2.1的證明利用反證技巧.假設(shè)方程(1.1)存在弱解u.顯然,當(dāng)p<1,N≤1-p時(shí),弱解u滿足(2.5)式.與定理2.1的結(jié)論矛盾.

        又有

        且若q∈(-∞,-N],則積分發(fā)散.因此,由(3.6)知(2.5)式成立且與定理2.1矛盾.

        且將上式代入(3.6)中,我們得到

        對(duì)(3.7)式兩邊取R→∞極限,易知(2.5)式成立且與定理2.1的結(jié)論導(dǎo)致矛盾.推論2.1證畢.

        推論2.2的證明利用反證法.若f非減且方程(1.1)存在有下界的弱解u.記u的下界為u1,則infRf=f(u1)且與推論2.1導(dǎo)致矛盾.關(guān)于f為非增情形類似,故此處省略.推論2.2證畢.

        4.穩(wěn)定解的非存在性

        由u∈X易知,u不一定是局部有界.因此,我們不能取φ=eαuψ為試驗(yàn)函數(shù).類似于文[1,17],我們利用截?cái)嗉记蓙?lái)克服這個(gè)困難.對(duì)每個(gè)k∈N定義如下正函數(shù)ak(t)和bk(t)∈C1(R):

        其中α>0為待定常數(shù).同時(shí),直接通過(guò)計(jì)算得到,對(duì)?t∈R,我們有

        其中C僅依賴于α.此外,由知

        定理2.2的證明利用反證技巧.假設(shè)方程(1.1)存在穩(wěn)定解u.

        現(xiàn)在,基于ak(u),bk(u)的定義,我們的證明將分為四個(gè)步驟展開(kāi).

        步1對(duì)任意的ε∈(0,1)任意的k∈N,及任意的非負(fù)函數(shù)存在一個(gè)常數(shù)Cε>0使得

        為了證明(4.2),根據(jù)弱解定義,我們?nèi)≡囼?yàn)函數(shù)為φ=bk(u)ψ2代入(2.1)中并利用帶ε的Young不等式,我們導(dǎo)出

        且整理后,我們得到

        步2對(duì)任意的k∈N,及任意的非負(fù)函數(shù)有

        為了證明(4.3),我們?nèi)≡囼?yàn)函數(shù)φ=ak(u)ψ.直接計(jì)算,我們有

        且根據(jù)穩(wěn)定解定義,及引理2.1,我們導(dǎo)出

        對(duì)(4.4)最后一項(xiàng),通過(guò)分部積分直接計(jì)算得到

        整理后,我們有

        將(4.5)代入(4.4),我們得到

        步3存在常數(shù)C=C(α)>0使得對(duì)任意非負(fù)函數(shù)我們有

        為了證明(4.6),結(jié)合(4.2),(4.3),并利用(4.1),我們可導(dǎo)出

        并整理后,我們有

        其中常數(shù)C僅依賴于α.

        在(4.8)式中取k→∞極限并利用單調(diào)收斂定理,我們得到

        步4當(dāng)R→∞時(shí),J→0,K→0,則方程(1.1)不存在穩(wěn)定解.

        為了證明上述結(jié)論,我們令R>0且取ψ=ξm,其中m>0待定,滿足0≤ξ≤1,且

        其中常數(shù)C不依賴于R.

        再由(4.6)式,我們有

        其中常數(shù)C1,C2>0僅依賴于α,m.

        將(4.10)及(4.11)代入(4.9)中,再由ξ的性質(zhì),我們導(dǎo)出

        且有

        對(duì)(4.13)式兩邊取R→∞極限并由條件:當(dāng)R→∞時(shí),J,K→0易知

        且導(dǎo)致矛盾.定理2.2證畢.

        推論2.3的證明根據(jù)ω1(x),ω2(x)的假設(shè),我們?nèi)?R>R0,有

        其中常數(shù)C>0均不依賴于R.

        再由定理2.2得到方程(1.1)不存在穩(wěn)定解.推論2.3證畢.

        下面,我們證明本文的第三個(gè)定理.

        定理2.3的證明利用反證法.假設(shè)方程(1.1)存在穩(wěn)定解u并類似于定理2.2的證明,我們?nèi)∠嗤腶k(u)和bk(u)的函數(shù).下面的證明將分為四個(gè)步驟展開(kāi).實(shí)際上,第一步到第三步的證明過(guò)程與定理2.2的證明相同,因此只給第四步的證明過(guò)程.

        步4當(dāng)|x|充分大,ω1(x)滿足?ω1(x)·x≤0,且對(duì)某個(gè)當(dāng)R→∞時(shí),J→0.則方程(1.1)不存在穩(wěn)定解.

        為了證明第四步,我們令R>0且取ψ=ξm,其中m>0待定,滿足0≤ξ≤1,且

        其中常數(shù)C不依賴于R且函數(shù)c(x)≥0.

        由(4.6)式,我們有

        其中常數(shù)C1,C2>0僅依賴于α,m.

        下面,估計(jì)(4.14)式右邊兩個(gè)積分項(xiàng).對(duì)第一個(gè)積分,利用Hlder不等式,并取充分大的m滿足m≥α+1,則我們得到

        由?(ω1(x))·x≤0且?ξ=-c(x)·x,其中c(x)≥0,我們有

        將(4.15)及(4.16)式代入(4.14)中,并利用ξ的性質(zhì),我們導(dǎo)出

        利用條件:當(dāng)R→∞時(shí),J→0并在(4.17)式兩邊取R→∞極限,我們易知

        且導(dǎo)致矛盾.定理2.3證畢.

        推論2.4的證明由假設(shè)ω2(x)∈L∞及當(dāng)|x|充分大,有ω1(x)≤Cω2(x),|?ω1(x)|≤Cω2(x)知

        推論2.5的證明由假設(shè)ω2(x)∈L∞及當(dāng)|x|充分大,有ω1(x)≤Cω2(x)且?ω1(x)·x≤0,我們得到

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